航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在航天器研制和定型生產(chǎn)的過(guò)程中，需要舉行大量的動(dòng)力學(xué)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)。在對(duì)實(shí)驗(yàn)有效性*估、航天器產(chǎn)品的質(zhì)量保證中，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集合數(shù)據(jù)處理占很重要的地位。目前，航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)領(lǐng)域中，動(dòng)力學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)的研制水平表征著一個(gè)國(guó)家在這一領(lǐng)域的技術(shù)率先程度，因此，有須要研制用于航天器動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的綜合測(cè)試系統(tǒng)。1 動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)的原理、構(gòu)成以及關(guān)鍵技術(shù)1.1 綜合測(cè)試系統(tǒng)的原理在航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)的各種動(dòng)態(tài)響應(yīng)諸如加速度、速度、位移、力、聲等物理量通過(guò)相關(guān)的轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)電信號(hào)，這些弱小電信號(hào)通過(guò)調(diào)理、整形、放大等措施以后，輸入到測(cè)試系

2、統(tǒng)，由具有規(guī)律處理功能的測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集動(dòng)態(tài)信號(hào)以后舉行處理。動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)中綜合測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有采集數(shù)據(jù)頻率高，數(shù)據(jù)流量大，因此對(duì)滿足用法的系統(tǒng)要求比較苛刻。1.2 綜合測(cè)試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)128路a/d同步采樣；4路d/a輸出；通道采樣率最大為51.2ksa/s；通道采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度為16位。1.3 綜合測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成根據(jù)功能劃分，航天器動(dòng)力學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)可以由數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)等構(gòu)成。根據(jù)結(jié)構(gòu)組成來(lái)劃分，航天器動(dòng)力學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)可以分為以下的三大部分：（1） 具有各種動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析功能的計(jì)算機(jī)軟件：隨機(jī)信號(hào)分析、正旋信號(hào)分 析、沖擊信號(hào)分析等；（2） 計(jì)算

3、機(jī)主機(jī)平臺(tái)以及附件：包括各種高性能的具有強(qiáng)大處理功能的處理器以及內(nèi)存、高吞吐量的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、高辨別率的及其附件；（3） 實(shí)驗(yàn)信號(hào)的測(cè)試與采集裝置：包括傳感器、前置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1.4 綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)的研制，以下的幾項(xiàng)技術(shù)中需要得到滿足：（1） 動(dòng)力學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成、靈便配置技術(shù)：（2） 綜合測(cè)試系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)；（3） 大容量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)；（4） 高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)；（5） 滿足用法要求的各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)：2 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)研制的宗旨是在較低成本上的工程化

4、設(shè)計(jì)、縮短綜合測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)光，把風(fēng)險(xiǎn)降低到最低限度，因此在硬件體系的設(shè)計(jì)中必需采納國(guó)際上最先進(jìn)的、成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保持功能模塊的兼容性，挺直汲取現(xiàn)代科技的進(jìn)展帶來(lái)的成績(jī)；軟件設(shè)計(jì)應(yīng)大量采納應(yīng)用軟件框架，最大限度地適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模、參數(shù)等的變幻。航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)由硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)這兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)的挑選，是由所采納的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)打算的。詳細(xì)的說(shuō)，動(dòng)力學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括控制方式、系統(tǒng)配置、分布式機(jī)箱結(jié)構(gòu)、多總線復(fù)合體系結(jié)構(gòu)等。軟件系統(tǒng)是測(cè)試系統(tǒng)的核心，包括軟件（即驅(qū)動(dòng)程序、軟面板）運(yùn)行環(huán)境和面對(duì)測(cè)試的應(yīng)用軟件。集成化測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是組建測(cè)試系統(tǒng)的核心技術(shù)，包括測(cè)試

5、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)框架挑選等。挑選通用硬件平臺(tái)和通用軟件框架，是建立通用動(dòng)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)良好途徑，本文的論述主要集中在硬件層面。3 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)挑選目前在技術(shù)上比較成熟、市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用的儀器總線平臺(tái)分為vxi總線和總線。vxi技術(shù)作為開(kāi)放式的總線技術(shù)，體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化、通用化的系統(tǒng)要求。開(kāi)放式結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源、軟件資源、硬件資源分享。系統(tǒng)通道易于升級(jí)、擴(kuò)充，適應(yīng)各種場(chǎng)合的需要，便利地重組系統(tǒng)，并且能夠適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成技術(shù)的進(jìn)展，采納計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成技術(shù)的最新成績(jī)，保持系統(tǒng)的先進(jìn)性和兼容性，提高系統(tǒng)測(cè)試的精確度和牢靠性。pxi總

6、線技術(shù)除了具有類(lèi)似于vxi總線技術(shù)的許多特點(diǎn)以外，同時(shí)具有數(shù)據(jù)傳輸率更高、小型化、價(jià)格更廉價(jià)（低檔系統(tǒng)通常比vxi系統(tǒng)廉價(jià)一萬(wàn)美元以上，中高檔系統(tǒng)價(jià)格相差小一些）的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)pxi總線較vxi總線更具有可以和計(jì)算機(jī)挺直相連的優(yōu)勢(shì)。但是pxi總線技術(shù)浮現(xiàn)的時(shí)光比較短，在技術(shù)層面上還有待完美，同時(shí)缺乏儀器領(lǐng)域內(nèi)部最有影響廠家的充分支持，產(chǎn)品的品種還不夠豐盛，缺乏強(qiáng)有力的技術(shù)支持，因此，目前用法pxi總線技術(shù)組建滿足航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)要求的高精度大中規(guī)模的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在技術(shù)上還存在一定的困難和風(fēng)險(xiǎn)。綜合vxi總線技術(shù)和pxi總線技術(shù)的上述特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外組建航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)所采納

7、的總線技術(shù)舉行的分析與討論，在本系統(tǒng)中用法vxi總線技術(shù)作為組建動(dòng)力學(xué)集成化綜合測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)，以削減組建系統(tǒng)的困難與風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在應(yīng)用軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)光盡量采納軟件自立于硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則，保持對(duì)pxi總線技術(shù)進(jìn)展的跟蹤，待pxi技術(shù)進(jìn)展越發(fā)成熟并且具備條件以后，動(dòng)力學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)能夠便利地舉行硬件平臺(tái)移植。4 航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)是測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最基本的組成部分，組建測(cè)試系統(tǒng)必需實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)體制，使硬件平臺(tái)建立在高度標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的結(jié)構(gòu)上才干降低開(kāi)發(fā)成本，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)光，確保系統(tǒng)的長(zhǎng)久可用性。航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)采納

8、具有雙處理器的主控計(jì)算機(jī)和vxi機(jī)箱組成測(cè)試單元的結(jié)構(gòu)。其中vxi測(cè)試總線機(jī)箱中內(nèi)置一個(gè)零槽控制器用于管理vxi測(cè)試模塊之間的協(xié)調(diào)以及同步；主控計(jì)算機(jī)通過(guò)內(nèi)置于計(jì)算機(jī)中的pci-1394轉(zhuǎn)換卡、ieee1394通訊電纜、零槽控制器與vxi測(cè)試機(jī)箱各種模塊相連，實(shí)現(xiàn)與vxi測(cè)試機(jī)箱的迅速數(shù)據(jù)傳輸以及通訊管理工作。在測(cè)試過(guò)程中，vxi總線機(jī)箱通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器完成動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，全部的采集數(shù)據(jù)通過(guò)vxi總線以及ieee1394聯(lián)接線實(shí)時(shí)傳送到主控計(jì)算機(jī)，由主控計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示等任務(wù)。為了完成動(dòng)力學(xué)綜合測(cè)試需求，系統(tǒng)中研制了32通道高速同步數(shù)據(jù)采集模塊amc2322，可

9、以實(shí)現(xiàn)4個(gè)模塊共128通道同步數(shù)據(jù)采集，同步采集速度達(dá)51.2ksa/s，并且在同步采集速度下降不多的狀況下，通道數(shù)可以擴(kuò)展到300多個(gè)。設(shè)計(jì)的另一個(gè)模塊是4路隨意波d/a模塊，它實(shí)現(xiàn)隨意波激勵(lì)輸出，可與a/d采集同步舉行，并且可以擴(kuò)展，這兩種模塊滿足航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試系統(tǒng)的性能要求，并且還為系統(tǒng)的擴(kuò)充留有余地。系統(tǒng)研制過(guò)程中主要解決了以下的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：一是如何保存延續(xù)高速采樣的數(shù)據(jù)。辦法是在數(shù)據(jù)采集板卡上集成64kword空間fifo存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)32通道并行采集數(shù)據(jù)，模塊有設(shè)置上位機(jī)讀數(shù)觸發(fā)條件功能，即預(yù)先指定ad采集存儲(chǔ)空間大小，一旦滿足條件立刻產(chǎn)生中斷，上位機(jī)快速完成批數(shù)據(jù)讀取。因?yàn)椴杉{fifo技術(shù)，上位機(jī)讀數(shù)不影響數(shù)據(jù)采集。解決的另外一個(gè)問(wèn)題是數(shù)據(jù)傳遞的問(wèn)題，需要保證采集數(shù)據(jù)以要求的速度傳遞到計(jì)算機(jī)中。由于1394實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸率為78mb/s，速度不高，我們采納1394火線技術(shù)橋接測(cè)試系統(tǒng)總線和計(jì)算機(jī)，解決了數(shù)據(jù)傳遞的瓶頸，以后可以采納光纖技術(shù)橋接系統(tǒng)總線和計(jì)算機(jī)，從而獲得更大的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力。圖1 動(dòng)力學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)暗示圖解決的第三個(gè)問(wèn)題是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。大量的采集數(shù)據(jù)涌入到計(jì)算機(jī)中，需要迅速的存儲(chǔ)，否則同樣會(huì)造成系統(tǒng)反映速度不夠，目前普通的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)不能滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，因此用法了scsi技術(shù)的磁